Renderointi (tietokonegrafiikka) - Rendering (computer graphics)

Erilaisia ​​renderöintitekniikoita sovelletaan yhteen 3D -kohtaukseen

POV-Ray 3.6: lla luotu kuva

Tekee tai kuva synteesi on prosessi tuottaa photorealistic tai ei-fotorealististen kuva alkaen 2D tai 3D-mallin avulla tietokoneohjelman . Tuloksena olevaa kuvaa kutsutaan renderiksi . Useita malleja voidaan määrittää kohtaustiedostossa, joka sisältää objekteja tarkasti määritellyllä kielellä tai tietorakenteessa . Kohtaustiedosto sisältää geometriaa, näkökulmaa, tekstuuria , valaistusta ja varjostustietoja, jotka kuvaavat virtuaalista kohtausta. Kohtaustiedoston sisältämät tiedot välitetään sitten renderointiohjelmalle käsiteltäväksi ja tulostetaan digitaaliseen kuva- tai rasterigrafiikkatiedostoon . Termi "renderointi" on samanlainen kuin käsite taiteilijan vaikutelmasta kohtauksesta. Termiä "renderointi" käytetään myös kuvaamaan tehosteiden laskentaprosessia videon muokkausohjelmassa lopullisen videolähdön tuottamiseksi.

Renderointi on yksi 3D-tietokonegrafiikan tärkeimmistä ala-aiheista , ja käytännössä se liittyy aina muihin. Se on viimeinen suuri askel grafiikkaputkessa ja antaa malleille ja animaatioille lopullisen ulkonäön. Tietokonegrafiikan kehittymisen myötä 1970 -luvulta lähtien siitä on tullut selkeämpi aihe.

Renderöintiä käytetään arkkitehtuurissa , videopeleissä , simulaattoreissa , elokuvien ja TV: n visuaalisissa tehosteissa ja suunnittelun visualisoinnissa, joissa kussakin käytetään erilaista ominaisuuksien ja tekniikoiden tasapainoa. Käytettävissä on laaja valikoima renderoijia. Jotkut niistä on integroitu suurempiin mallinnus- ja animaatiopaketteihin, jotkut ovat itsenäisiä ja jotkut ovat ilmaisia ​​avoimen lähdekoodin projekteja. Sisäpuolella renderoija on huolellisesti suunniteltu ohjelma, joka perustuu useisiin tieteenaloihin, mukaan lukien valofysiikka , visuaalinen havainto , matematiikka ja ohjelmistokehitys .

Vaikka renderointimenetelmien tekniset yksityiskohdat vaihtelevat, 2D -kuvan tuottaminen näytölle 3D -esityksestä, joka on tallennettu kohtaustiedostoon, käsitellään yleisiä haasteita, joita grafiikkaputki hoitaa renderöintilaitteessa, kuten GPU: ssa . GPU on tarkoitukseen rakennettu laite, joka auttaa keskusyksikköä suorittamaan monimutkaisia ​​renderointilaskelmia. Jos kohtaus näyttää suhteellisen realistiselta ja ennakoitavalta virtuaalisessa valaistuksessa, renderointiohjelmiston on ratkaistava renderointiyhtälö . Renderointiyhtälö ei ota huomioon kaikkia valaistusilmiöitä, vaan toimii yleisenä valaistusmallina tietokoneella tuotetuille kuville.

3D-grafiikan tapauksessa kohtauksia voidaan esikatsella tai luoda reaaliajassa. Esikuvaus on hidas, laskennallisesti intensiivinen prosessi, jota käytetään tyypillisesti elokuvien luomiseen, jossa kohtauksia voidaan luoda etukäteen, kun taas reaaliaikainen renderointi tehdään usein 3D-videopeleille ja muille sovelluksille, joiden on luotava dynaamisesti kohtauksia. 3D -laitteistokiihdyttimet voivat parantaa reaaliaikaista renderointia.

Käyttö

Kun esikuva (yleensä lankakehyksen luonnos) on valmis, käytetään renderöintiä, joka lisää bittikarttakuvioita tai menettelytapoja , valoja, törmäyskartoitusta ja suhteellista sijaintia muihin kohteisiin. Tuloksena on valmis kuva, jonka kuluttaja tai aiottu katsoja näkee.

Elokuva -animaatioiden osalta useita kuvia (kehyksiä) on muodostettava ja yhdistettävä yhteen ohjelmaan, joka pystyy tekemään tällaisen animaation. Useimmat 3D -kuvankäsittelyohjelmat voivat tehdä tämän.

ominaisuudet

Renderöity kuva voidaan ymmärtää useiden näkyvien ominaisuuksien avulla. Renderöinti tutkimus ja kehitys on suurelta osin syynä löytää tapoja simuloida näitä tehokkaasti. Jotkut liittyvät suoraan tiettyihin algoritmeihin ja tekniikoihin, kun taas toiset tuotetaan yhdessä.

• Varjostus  - kuinka pinnan väri ja kirkkaus vaihtelee valaistuksen mukaan
• Tekstuurikartoitus-  menetelmä yksityiskohtien levittämiseksi pintoihin
• Kuoppakartoitus-  menetelmä pienimuotoisen kuoppaisuuden simuloimiseksi pinnoilla
• Sumu/osallistuva väline-  kuinka valo himmenee, kun se kulkee epäselvän ilmakehän tai ilman läpi
• Varjot  - valon esteen vaikutus
• Pehmeät varjot  - vaihteleva pimeys, joka johtuu osittain peitetyistä valonlähteistä
• Heijastus  -peilimainen tai erittäin kiiltävä heijastus
• Läpinäkyvyys (optiikka) , läpinäkyvyys (graafinen) tai opasiteetti  - terävä valonläpäisy kiinteiden esineiden läpi
• Läpikuultavuus  - erittäin hajanainen valonläpäisy kiinteiden esineiden läpi
• Taittuminen  - valon taivutus, joka liittyy läpinäkyvyyteen
• Hajautuminen  - säteen häiritsevän esineen tai aukon ohitse kulkevan valon taipuminen, leviäminen ja häiriö
• Epäsuora valaistus  - pinnat, joita valaisee muilta pinnoilta heijastunut valo eikä suoraan valonlähteestä (tunnetaan myös nimellä globaali valaistus)
• Kaustiset aineet (epäsuoran valaistuksen muoto) - valon heijastuminen kiiltävästä esineestä tai valon fokusointi läpinäkyvän esineen läpi tuottaakseen kirkkaita kohokohtia toiseen kohteeseen
• Syväterävyys  - kohteet näyttävät epätarkilta tai epätarkilta, kun ne ovat liian kaukana tarkennettavan kohteen edessä tai takana
• Liikehämärtys-  kohteet näyttävät sumeilta nopean liikkeen tai kameran liikkeen vuoksi
• Ei-fotorealistinen renderöinti-  kohtausten esittäminen taiteellisella tyylillä, jonka tarkoituksena on näyttää maalaukselta tai piirustukselta

Tekniikat

Fraktaalin maaston renderöinti säteilyn avulla

Monet renderöinnit algoritmeja on tutkittu, ja renderöintiin käytettävä ohjelmisto voi käyttää useita erilaisia ​​tekniikoita lopullisen kuvan saamiseksi.

Jokaisen valon hiukkasen jäljittäminen kohtauksessa on lähes aina täysin epäkäytännöllistä ja se vie uskomattoman paljon aikaa. Jopa kuvan tuottamiseen riittävän suuren osan jäljittäminen vie kohtuuttoman paljon aikaa, jos näytteenottoa ei ole älyllisesti rajoitettu.

Siksi on syntynyt muutama löysä perhe tehokkaampia kevyen liikenteen mallintamistekniikoita:

• rasterointi , mukaan lukien skannausviivan renderöinti , projisoi kohtauksen kohteet geometrisesti kuvatasolle ilman kehittyneitä optisia tehosteita;
• ray casting pitää kohtausta havaittuna tietystä näkökulmasta laskemalla havaittu kuva perustuen vain geometriaan ja hyvin perusoptisiin heijastusvoimakkuuden lakeihin ja ehkä käyttämällä Monte Carlo -tekniikoita esineiden vähentämiseksi;
• säteenseuranta on samanlainen kuin säteen valu, mutta se käyttää edistyneempää optista simulointia ja käyttää yleensä Monte Carlo -tekniikoita saadakseen realistisempia tuloksia nopeudella, joka on usein suuruusluokkaa nopeampi.

Neljäntyyppistä valonsiirtotekniikkaa, säteilyä, ei yleensä toteuteta renderöintitekniikkana, vaan sen sijaan lasketaan valon kulku, kun se lähtee valonlähteestä ja valaisee pintoja. Nämä pinnat renderöidään yleensä näytölle käyttäen yhtä kolmesta muusta tekniikasta.

Useimmat kehittyneet ohjelmistot yhdistävät kaksi tai useampia tekniikoita riittävän hyvien tulosten saamiseksi kohtuulliseen hintaan.

Toinen ero on kuvien järjestysalgoritmit , jotka toistuvat kuvatason pikselien yli, ja objektijärjestysalgoritmit , jotka iteroivat kohtauksen kohteiden yli. Yleensä objektien järjestys on tehokkaampi, koska kohtauksessa on yleensä vähemmän kohteita kuin pikseleitä.

Skannausviivan renderöinti ja rasterointi

Render of the European Extremely Large Telescope .

Kuvan korkean tason esitys sisältää välttämättä elementtejä eri toimialueella kuin pikseleissä. Näitä elementtejä kutsutaan nimelläalkeellinen s. Esimerkiksi kaavamaisessa piirustuksessa viivan osat ja käyrät voivat olla primitiivisiä. Graafisessa käyttöliittymässä ikkunat ja painikkeet voivat olla primitiivit. 3D -mallien renderoinnissa avaruudessa olevat kolmiot ja monikulmiot voivat olla primitiivisiä.

Jos pikselikohtainen (kuvajärjestys) lähestymistapa renderöintiin on epäkäytännöllinen tai liian hidas johonkin tehtävään, primitiivinen primitiivinen (objektijärjestys) lähestymistapa renderöintiin voi osoittautua hyödylliseksi. Tässä yksi silmukka jokaisen primitiivin läpi määrittää, mihin kuvan pikseliin se vaikuttaa, ja muokkaa niitä pikseleiden mukaisesti. Tätä kutsutaan rasteroinniksi , ja se on renderöintimenetelmä, jota käyttävät kaikki nykyiset näytönohjaimet .

Rasterointi on usein nopeampaa kuin pikselien välinen renderointi. Ensinnäkin kuvan suuret alueet voivat olla tyhjiä primitiivistä; rasterointi jättää nämä alueet huomiotta, mutta pikselikohtaisen renderöinnin on läpäistävä ne. Toiseksi, rasterointi voi parantaa välimuistin yhtenäisyyttä ja vähentää tarpeetonta työtä hyödyntämällä sitä tosiasiaa, että yhden primitiivin miehittämät pikselit ovat yleensä vierekkäisiä kuvassa. Näistä syistä rasterointi on yleensä valintamenetelmä, kun vuorovaikutteista hahmonnusta tarvitaan; pikselikohtainen lähestymistapa voi kuitenkin usein tuottaa laadukkaampia kuvia ja on monipuolisempi, koska se ei ole riippuvainen niin monista kuvaa koskevista oletuksista kuin rasterointi.

Vanhemmalle rasterointimuodolle on ominaista se, että koko kasvot (primitiivinen) muutetaan yhdeksi väriksi. Vaihtoehtoisesti rasterointi voidaan tehdä monimutkaisemmalla tavalla renderöimällä ensin kasvojen kärkipisteet ja sen jälkeen pinnan pikselit sekoittamalla kärkivärit. Tämä rasterointiversio on ohittanut vanhan menetelmän, koska sen avulla grafiikka voi kulkea ilman monimutkaisia ​​tekstuureja (rasterisoidulla kuvalla kasvotusten käytettäessä on yleensä hyvin lohkomainen vaikutus, jos sitä ei peitetä monimutkaisilla tekstuureilla; kasvot eivät ole sileitä, koska väri ei muutu asteittain primitiivistä toiseen). Tämä uudempi rasterointimenetelmä hyödyntää näytönohjaimen verottavampia varjostustoimintoja ja saavuttaa silti paremman suorituskyvyn, koska muistiin tallennetut yksinkertaisemmat tekstuurit käyttävät vähemmän tilaa. Joskus suunnittelijat käyttävät yhtä rasterointimenetelmää joillakin kasvoilla ja toista menetelmää toisilla sen mukaan, missä kulmassa kyseiset kasvot kohtaavat muut liitetyt kasvot, mikä lisää nopeutta eikä vahingoita kokonaisvaikutelmaa.

Ray -valu

In ray valu geometria, joka on mallinnettu on jäsennetään pikseli kerrallaan, rivi riviltä, näkökulmasta katsottuna ulospäin, kuin jos valu säteet pois kannalta. Jos esine leikataan , pisteessä oleva väriarvo voidaan arvioida useilla menetelmillä. Yksinkertaisimmin objektin väri -arvosta leikkauspisteessä tulee kyseisen pikselin arvo. Väri voidaan määrittää tekstuurikartasta . Kehittyneempi menetelmä on muuttaa väriarvoa valaistuskertoimella, mutta laskematta suhdetta simuloituun valonlähteeseen. Artefaktien vähentämiseksi voidaan laskea useita säteitä hieman eri suuntiin.

Sädevalo sisältää "näkymän suunnan" laskemisen (kameran asennosta) ja vaiheittaisen "säteen heiton" seurannan näyttämön "kiinteiden 3D -objektien" läpi samalla kun kerätään tuloksena oleva arvo kustakin 3D -tilan pisteestä. Tämä liittyy ja muistuttaa "säteenseurantaa", paitsi että raycastia ei yleensä "palauteta" pinnoilta (jossa "säteenseuranta" osoittaa, että se etsii valojen reittiä, mukaan lukien pomppimiset). "Säteily" tarkoittaa, että valonsäde kulkee suoraa polkua (joka voi sisältää kulkemisen puoliksi läpinäkyvien esineiden läpi). Säde on vektori, joka voi olla peräisin kamerasta tai kohtauksen päätepisteestä ("edestä eteen" tai "edestä taakse"). Joskus lopullinen valoarvo saadaan "siirtotoiminnosta" ja joskus sitä käytetään suoraan.

Lisäksi voidaan käyttää karkeita optisten ominaisuuksien simulaatioita: säde lasketaan yksinkertaisesti kohteesta kohteeseen näkökulmasta. Toinen laskelma tehdään valonlähteiden valonsäteiden tulokulmasta, ja näistä sekä valonlähteiden määritetyistä voimakkuuksista lasketaan pikselin arvo. Toinen simulaatio käyttää valaistusta, joka on piirretty säteilyalgoritmista tai näiden kahden yhdistelmästä.

säteen jäljitys

Spiral Sphere ja Julia, Detail , tietokoneella luotu kuva, jonka kuvataiteilija Robert W. McGregor on luonut käyttäen vain POV-Ray 3.6: ta ja sen sisäänrakennettua kohtauskuvauskieltä.

Säteenseurannan tarkoituksena on simuloida valon luonnollista virtausta hiukkasina. Usein säteenseurantamenetelmiä käytetään ratkaisun lähentämiseen renderointiyhtälöön soveltamalla siihen Monte Carlo -menetelmiä . Jotkut käytetyimmistä menetelmistä ovat polun jäljitys , kaksisuuntainen polun jäljitys tai Metropolis -kevytkuljetus , mutta myös puolitodellisia menetelmiä käytetään, kuten Whitted Style Ray Tracing tai hybridit. Vaikka useimmat toteutukset antavat valon levitä suorille linjoille, on olemassa sovelluksia, jotka simuloivat relativistisia avaruusajan vaikutuksia.

Sädejäljitetyn teoksen lopullisessa, tuotannon laadukkaassa renderöinnissä useita säteitä ammutaan yleensä jokaiselle pikselille, eikä niitä jäljitetä vain ensimmäiseen leikkauskohteeseen, vaan pikemminkin useiden peräkkäisten "pomppien" avulla käyttämällä tunnettuja lakeja. optiikka, kuten "tulokulma on yhtä kuin heijastuskulma", ja kehittyneemmät lait, jotka käsittelevät taittumista ja pinnan karheutta.

Kun säde kohtaa valonlähteen tai luultavasti kerran, kun tietty rajoitettu pomppimismäärä on arvioitu, pinnan valaistus viimeisessä kohdassa arvioidaan edellä kuvattuja tekniikoita käyttäen ja muutokset eri pomppien läpi arvioidaan arvioi näkökulmasta havaittu arvo. Kaikki tämä toistetaan jokaiselle näytteelle, jokaiselle pikselille.

In jakelu ray jäljittämiseen , kussakin leikkauskohdassa, useita säteitä voidaan poiki. Vuonna polku jäljittäminen on kuitenkin vain yksi säde tai ei poltetaan jokaisessa risteyksessä, hyödyntäen tilastollinen luonne Monte Carlo kokeiluja.

Raa'an voiman menetelmänä säteenseuranta on ollut liian hidas reaaliaikaiseksi, ja viime aikoihin asti liian hidas edes harkittavaksi minkä tahansa laatuisia lyhytelokuvia varten, vaikka sitä on käytetty erikoistehosteissa ja mainonnassa , jossa tarvitaan lyhyt osa korkealaatuista (ehkä jopa fotorealistista ) materiaalia.

Pyrkimykset optimoida vähentämään tarvittavien laskelmien määrää sellaisissa töissä, joissa yksityiskohdat eivät ole suuria tai eivät ole riippuvaisia ​​säteenseurantaominaisuuksista, ovat johtaneet realistiseen mahdollisuuteen säteenseurannan laajempaan käyttöön. Nyt on olemassa joitain laitteistokiihdytettyjä säteenseurantalaitteita, ainakin prototyyppivaiheessa, ja joitakin pelidemoja, jotka osoittavat reaaliaikaisen ohjelmiston tai laitteiston säteenseurannan käytön.

Säteily

Säteily on menetelmä, joka yrittää simuloida tapaa, jolla suoraan valaistut pinnat toimivat epäsuorana valonlähteenä, joka valaisee muita pintoja. Tämä tuottaa realistisempi varjostusta ja näyttää kuvaamaan paremmin ' tunnelma ', joka sisätiloissa kuvattaessa. Klassinen esimerkki on tapa, jolla varjot "halaavat" huoneiden kulmia.

Simulaation optinen perusta on se, että tietty hajavalo tietystä pisteestä tietystä pisteestä heijastuu suuressa suunnassa ja valaisee ympäröivän alueen.

Simulaatiotekniikka voi vaihdella monimutkaisuudessa. Monissa renderöinneissä on erittäin karkea arvio säteilystä, ja ne valaisevat koko kohtauksen yksinkertaisesti hieman tunnelmalla. Kuitenkin, kun kehittynyt säteilyn arviointi yhdistetään korkealaatuiseen säteenseuranta -algoritmiin, kuvat voivat näyttää vakuuttavalta, erityisesti sisätilojen kohtauksissa.

Kehittyneessä säteilysimulaatiossa rekursiiviset, äärelliset alkuainealgoritmit "pomppivat" valoa edestakaisin mallin pintojen välillä, kunnes jokin rekursioraja saavutetaan. Yhden pinnan värjäys tällä tavalla vaikuttaa naapuripinnan väriin ja päinvastoin. Tuloksena olevat valaistusarvot koko mallissa (joskus myös tyhjissä tiloissa) tallennetaan ja niitä käytetään lisäsyöttöinä, kun suoritetaan laskelmia säteily- tai säteilyseurantamallissa.

Tekniikan iteratiivisen/rekursiivisen luonteen vuoksi monimutkaiset objektit ovat erityisen hitaita jäljittelemään. Ennen nopean säteilylaskennan standardointia jotkut digitaaliset taiteilijat käyttivät tekniikkaa, jota kutsuttiin löyhästi vääräksi säteilyksi tummentamalla kulmiin, liitoksiin ja syvennyksiin liittyviä tekstuurikarttojen alueita ja soveltamalla niitä itsevalaistuksella tai hajautetulla kartoituksella skannauslinjan renderöintiin. Jopa nyt kehittyneet säteilylaskelmat voidaan varata huoneen tunnelman laskemiseen seinistä, lattiasta ja katosta heijastavasta valosta tutkimatta monimutkaisten esineiden vaikutusta säteilyyn - tai monimutkaiset esineet voidaan korvata säteilylaskennassa yksinkertaisempien samankokoisten ja -rakenteisten esineiden kanssa.

Säteilylaskelmat ovat näkökulmasta riippumattomia, mikä lisää mukana olevia laskelmia, mutta tekee niistä hyödyllisiä kaikille näkökulmille. Jos säteilykohteita järjestetään vain vähän näyttämöllä, samat säteilydatat voidaan käyttää uudelleen useille kuville, mikä tekee säteilystä tehokkaan tavan parantaa säteilyn tasaisuutta vaikuttamatta kuitenkaan vakavasti renderointiaikaan ruutua kohden. .

Tämän vuoksi säteily on tärkein osa johtavia reaaliaikaisia ​​renderointimenetelmiä, ja sitä on käytetty alusta loppuun luodakseen suuren määrän tunnettuja viimeaikaisia ​​koko pituisia animoituja 3D-sarjakuvaelokuvia.

Näytteenotto ja suodatus

Yksi ongelma, joka minkä tahansa renderointijärjestelmän on käsiteltävä, riippumatta siitä, mitä lähestymistapaa se käyttää, on näytteenotto -ongelma . Pohjimmiltaan renderöintiprosessi yrittää kuvata jatkuvaa toimintoa kuvatilasta väreihin käyttämällä rajallista määrää pikseliä. Seurauksena on Nyquistin teoreema (tai Kotelnikov lause), minkäänlaista fyysistä aaltomuoto, joka voidaan näyttää tulee koostua ainakin kahden pikselin, joka on verrannollinen kuvan resoluutio . Yksinkertaisemmin sanottuna tämä ilmaisee ajatuksen siitä, että kuvassa ei voi olla väreiltään tai voimakkuudeltaan pienempiä yksityiskohtia, huippuja tai kouruja, jotka ovat pienempiä kuin yksi pikseli.

Jos käytetään naiivia renderointialgoritmia ilman suodatusta, kuvatoiminnon korkeat taajuudet aiheuttavat ruman aliasoinnin lopullisessa kuvassa. Aliasing ilmenee tyypillisesti risteyksinä tai rosoisina reunoina kohteissa, joissa pikseliruudukko on näkyvissä. Poistamiseksi laskostumista, kaikki tekee algoritmeja (jos ne ovat tuottaa hyvän näköisiä kuvia) on käytettävä jonkinlaista alipäästösuotimen kuvaa toiminto poistaa korkeita taajuuksia, prosessissa, jota kutsutaan reunojen .

Optimointi

Laskelmien suuren määrän vuoksi keskeneräinen työ tehdään yleensä vain yksityiskohtaisesti sovitetuksi tietyn ajanjakson aikana kehitettävän työn osalle, joten mallintamisen alkuvaiheessa voidaan käyttää lankakehystä ja sädevalua, vaikka tavoiteulostulo on säteilyseuranta säteilyllä. On myös tavallista hahmottaa vain osia kohtauksesta erittäin yksityiskohtaisesti ja poistaa esineitä, jotka eivät ole tärkeitä parhaillaan kehitettävälle.

Reaaliaikaista varten on tarkoituksenmukaista yksinkertaistaa yhtä tai useampaa yleistä arviointia ja virittää kyseisen maiseman tarkat parametrit, jotka on myös viritetty sovittuihin parametreihin, jotta saat parhaan mahdollisen vastineen.

Akateeminen ydin

Realistisen renderöijän toteuttamisessa on aina jokin fyysisen simulaation tai emuloinnin peruselementti - jokin laskelma, joka muistuttaa tai abstrahoi todellista fyysistä prosessia.

Termi " fyysisesti perustuva " osoittaa fyysisten mallien ja likiarvojen käyttöä, jotka ovat yleisempiä ja laajalti hyväksyttyjä renderöinnin ulkopuolella. Tietyt asiaan liittyvät tekniikat ovat vähitellen vakiintuneet renderointiyhteisöön.

Peruskäsitteet ovat kohtalaisen yksinkertaisia, mutta vaikeasti laskettavissa; ja yksi tyylikäs algoritmi tai lähestymistapa on ollut hankala yleisempiin renderöijiin. Jotta voidaan vastata kestävyyden, tarkkuuden ja käytännöllisyyden vaatimuksiin, toteutus on monimutkainen yhdistelmä eri tekniikoita.

Renderointitutkimus koskee sekä tieteellisten mallien mukauttamista että niiden tehokasta soveltamista.

Renderointiyhtälö

Tämä on keskeinen akateeminen/teoreettinen käsite renderoinnissa. Se toimii abstrakteimpana muodollisena ilmauksena renderöinnin ei-havainnollisesta näkökulmasta. Kaikki täydellisemmät algoritmit voidaan nähdä ratkaisuina tämän yhtälön tietyille formulaatioille.

${\ displaystyle L_ {o} (x, {\ vec {w}}) = L_ {e} (x, {\ vec {w}})+\ int _ {\ Omega} f_ {r} (x, { \ vec {w}} ', {\ vec {w}}) L_ {i} (x, {\ vec {w}}') ({\ vec {w}} '\ cdot {\ vec {n}} ) \ mathrm {d} {\ vec {w}} '}$

Merkitys: tietyssä asennossa ja suunnassa lähtevä valo (L _o ) on emittoidun valon (L _e ) ja heijastuneen valon summa . Heijastunut valo on kaikista suunnista tulevan valon (L _i ) summa kerrottuna pinnan heijastuksella ja tulevalla kulmalla. Yhdistämällä ulospäin suuntautuva valo sisäiseen valoon vuorovaikutuspisteen kautta tämä yhtälö edustaa koko 'valonkuljetusta' - kaikkea valon liikettä - kohtauksessa.

Kaksisuuntainen heijastuskykyfunktio

Kaksisuuntainen reflektanssi kertymäfunktio (BRDF) ilmaisee yksinkertaista mallia valon vuorovaikutus pinnan kanssa seuraavasti:

${\ displaystyle f_ {r} (x, {\ vec {w}} ', {\ vec {w}}) = {\ frac {\ mathrm {d} L_ {r} (x, {\ vec {w} })} {L_ {i} (x, {\ vec {w}} ') ({\ vec {w}}' \ cdot {\ vec {n}}) \ mathrm {d} {\ vec {w} } '}}}$

Valon vuorovaikutusta arvioidaan usein vielä yksinkertaisemmilla malleilla: hajaheijastus ja peilikuva, vaikka molemmat voivat myös olla BRDF -malleja.

Geometrinen optiikka

Renderointi koskee käytännössä yksinomaan valofysiikan hiukkasnäkökohtaa, joka tunnetaan nimellä geometrinen optiikka . Valon käsitteleminen sen perustason tasolla hiukkasina, jotka pomppivat ympäri, on yksinkertaistettu, mutta tarkoituksenmukaista: valon aallonpiirteet ovat vähäisiä useimmissa kohtauksissa ja niitä on huomattavasti vaikeampi simuloida. Merkittäviä aalto -ilmiöitä ovat diffraktio (kuten CD- ja DVD -levyjen väreissä ) ja polarisaatio (kuten nestekidenäytöissä ). Molemmat vaikutustyypit tehdään tarvittaessa heijastusmallin ulkonäkölähtöisellä säätämisellä.

Näköaisti

Vaikka siihen kiinnitetään vähemmän huomiota, ihmisen visuaalisen havainnon ymmärtäminen on arvokasta. Tämä johtuu pääasiassa siitä, että kuvanäytöillä ja ihmisen havainnoinnilla on rajoitetut alueet. Renderöintilaite voi simuloida laajaa valon kirkkautta ja värejä, mutta nykyiset näytöt - elokuvanäyttö, tietokoneen näyttö jne. - eivät pysty käsittelemään niin paljon, ja jotain on hylättävä tai pakattava. Ihmisen käsityksellä on myös rajansa, joten realismin luomiseksi ei tarvitse antaa laaja-alaisia ​​kuvia. Tämä voi auttaa ratkaisemaan ongelman, joka liittyy kuvien sovittamiseen näyttöihin, ja ehdottaa lisäksi, mitä pikanäppäimiä voitaisiin käyttää renderöintisimulaatiossa, koska tietyt hienovaraisuudet eivät ole havaittavissa. Tämä aihe liittyy sävykartoitukseen .

Renderoinnissa käytetty matematiikka sisältää: lineaarisen algebran , laskennan , numeerisen matematiikan , signaalinkäsittelyn ja Monte Carlo -menetelmät .

Elokuvien renderointi tapahtuu usein tiiviisti kytkettyjen tietokoneiden verkossa, joka tunnetaan renderöintilaitoksena .

Tämänhetkinen uusin 3-D-kuvakuvaus elokuvien luomisessa on Mental Ray -näkymän kuvauskieli, joka on suunniteltu Mental Imagesissa ja RenderMan Shading Language, joka on suunniteltu Pixarissa (vertaa yksinkertaisempiin 3D-tiedostomuotoihin, kuten VRML tai API , kuten OpenGL ja DirectX, räätälöityjä) 3D -laitteistokiihdyttimille).

Muita renderöintilaitteita (mukaan lukien omat) voidaan käyttää ja niitä käytetään joskus, mutta useimmat muut renderöijät menettävät yleensä yhden tai useamman usein tarvittavan ominaisuuden, kuten hyvän tekstuurisuodatuksen, tekstuurin välimuistin, ohjelmoitavat varjostimet, korkeat geometriatyypit, kuten hiukset, alajako- tai nurbs -pinnat tesselaatio tarpeen mukaan, geometrian välimuisti, raytracing geometrian välimuistilla, korkealaatuinen varjokartoitus , nopeus tai patentiton toteutus. Muita nykyään halutuimpia ominaisuuksia voivat olla interaktiivinen fotorealistinen renderointi  (IPR) ja laitteiston renderointi/varjostus.

Tärkeiden julkaistujen ideoiden kronologia

ESTCube-1- satelliitin renderointi

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

Ulkoiset linkit

• GPU Rendering Magazine , online -CGI -lehti GPU -renderöinnin eduista
• SIGGRAPH  - ACM: n grafiikan erityisryhmä - suurin akateeminen ja ammatillinen yhdistys ja konferenssi
• Luettelo linkkeistä (äskettäin, vuodesta 2004) siggraph -papereihin (ja joihinkin muihin) verkossa